1.引言

　　自密实混凝土(Self?Compacting Concrete，简称SCC)就是要配制成纯粹靠混凝土自重，就能浇注到模板内各个角落，而不需任何振捣。尽管自密实混凝土具有较高的流动性，但其粗骨料是不离析的。

　　自密实混凝土的出现，源于1983年以后的几年中，日本遇到的混凝土结构耐久性问题，以及因技术工人数量的减少而引起混凝土质量下降。在1986年，东京大学的学者Okamura提出了发展SCC的必要性。1988年，东京大学的Ozawa,第一次用在建材市场上采购的材料配制出了自密实混凝土。经研究，当时配出的SCC在干燥和硬化收缩，水化热，硬化后的密度，以及一些其它性能均令人满意。次年在东京大学，一百多位研究者和现场工程师面前，做了一次公开试验。结果，引发了许多地方就此开展深入研究，尤其在东京大学较为突出。在这一时期，SCC被定为一种“高性能混凝土”(简称HPC)，分类依据基于混凝土的三个阶段：

    (1)新拌状态下：自密实性；

    (2)早期：能避免初始缺陷；

    (3)硬化期：避免或减少外部因素对结构的作用(如具有较好的抗渗性)。

    　2.自密实混凝土的特点

    　自密实混凝土与常规浇注、振捣的混凝土最大的区别在于，它的匀质性、填密性完全靠在自身的重量作用下，能够自流平填密。与常规振捣成型的混凝土相比，自密实混凝土主要有以下几个优点：

    (1)使用自密实混凝土，可以缩短施工工期；

    (2)可以保证结构中混凝土的密实性。尤其在浇注振捣困难的狭窄部位时。这种要求更为突出。

    (3)可以消除因振捣而带来的噪音，尤其对于混凝土生产者来说更为重要。这在提倡环保，保证居民生活质量的今天，自密实混凝土具有很大的吸引力。

　　此外，使用SCC还可节约大量劳动力，由此而带来的经济效益十分可观。

　　3.自密实混凝土配合比设计

　　自密实混凝土配制的技术路径是，既要考虑施工时(新拌状态下)的高流动性，同时又要照顾到混凝土硬化以后的耐久性，即密实性。换句话说，就是要平衡好新拌状态下混凝土的高变形能力与高抗材料离析性之间的关系，尤其在配有钢筋的狭小区域，混凝土的流动性要求和防止粗骨料被阻塞的要求更高。为此，Okamura和Ozawa使用如下的技术措施：

    (1)限制骨料用量；

    (2)采用较低的水胶比；

    (3)使用超塑化剂。

　    1993年，Okamura在上述思路的基础上，提出了一种配合比设计方法。他的主要做法是，先做水泥浆和砂浆试验，主要目的是检查超塑化剂、水泥、细骨料和火山灰材料的性能和密实能力，然后再做SCC试验。该方法的优点在于，可以避免在混凝土上重复同一种质量控制，这种质量控制既费时又费力。但这种方法的缺点有：

    (1)在拌制SCC前，需要进行水泥浆和砂浆的质量控制试验，但许多施工单位和商品混凝土供应厂缺乏必要的试验设备；

　(2)这种配合比设计方法和试验程序对于实际工程而言，显得太过复杂。

日本的JRMSA是Okamura方法的简化。这种方法可用于生产大掺量掺合料、水胶比小于0.3的SCC。

    　瑞典水泥和混凝土研究会、中国大陆及台湾的学者均提出了HPC的设计方法。台湾提出的方法是填密拌合物设计算法，是从最大密度原理和超砂浆理论推导出来的，但无从知道该方法和混凝土通过钢筋间隙与抗离析能力方面之间的关系。大陆的研究表明，如果混凝土中的水泥浆过少，则不仅影响混凝土通过钢筋间隙的能力，而且影响抗压强度。

    　配制SCC，原则是用水泥浆(胶凝材料)填充骨料骨架的间隙。计算步骤是依次计算：粗、细骨料用量；水泥用量；按强度推算水泥需要的拌合用水量；粉煤灰及矿渣灰掺量；SCC中需要的拌合用水量(水泥、粉煤灰、矿渣灰用水量之和)；减少剂用量；根据骨料的含水率调整SCC中的拌合水用量。计算出配合比后，进行试配和性能测试试验。

4.自密实混凝土性能评定

    　根据SCC的特点，在试配和生产中应作到：

    (1)良好的流动性，即在自重作用下能够自流平、自密实；

    (2)具有良好的材料匀质性和稳定性，在流动状态下不泌水、不起泡、无粗骨料离析现象；

    (3)硬化后体积稳定性好，不产生收缩裂缝，尽量避免内部缺陷。

具体而言，评定SCC质量的要素有：较大变形能力，抗离析能力，钢筋之间的通过能力。此外，根据自密实混凝土的耐久性要求，还应评价混凝土硬化期的抗渗性，由于评定内容和手段与常规混凝土大致相同，故此处不再赘述。下面仅介绍新拌SCC的评定。

　　Okamura等开始配制SCC时，以为配制出这种混凝土会很容易，原因是水下不分散混凝土已在实际工程中应用。但由于水下不分散混凝土掺用大掺量增稠剂，使得离析问题得到严格控制，同时也阻止了水泥颗粒扩散到周围水中。尤其值得注意的是，抗水洗水下混凝土不能应用于空气中浇注成型的结构中，原因有两个：首先，由于这种混凝土具有比较高的粘聚性，所以不能去除夹持在混凝土中的气炮；其次，在有钢筋的狭窄空间内实施振捣困难。所以，研究和评定混凝土的工作性很重要。

   　 SCC的填充性对于其能否在自重作用下，即免振的情况下浇注到模板中的预想位置来说很重要。SCC稠度的评定，多数采用塌落度(或塌落流动度)，但对于SCC不能仅靠塌落流动度试验。日本的做法是广泛采用V形漏斗试验和U形填充能力试验。在众多评价自密实混凝土的试验方法中，由Taisei小组提出的U型试验是公认的最合适方法。但目前对于稠度试验中和实际成型时的混凝土流动行为，还不能完全用动力学形式理解。

   　 最初研究SCC的工作性机理时，Gumma大学的Hashimoto教授提出用可视化试验。具体做法是用透明的聚合物材料代替水泥浆，板式成模板(内置水平或竖直的钢筋，以评定SCC水平流动通过钢筋间距的能力)、V形漏斗和U形填充试验装置(后两者评定SCC竖直流动行为)，这样做既可以观察到粗骨料的运动，又能获取混凝土流动性的单评定指标值——剪切应变速率。

　　欧洲有些国家的观点，倾向于除了要测SCC的塌落度和塌落流动外，还需要利用BML稠度仪测剪应力。该装置可与计算机连接，直接测定转动力矩和回转速度，然后分别根据理论公式换算成剪切应力和剪切应变速率。改变回转速度，测定相应力矩，得到多组数据后，就可以确定宾汉姆模型中的应力—应变关系。

  　  由此可以求出SCC拌合物的粘度系数和屈服应力值。这种装置的优点在于，将自密实混凝土的流变性和工作性结合在了一起。强调粘度测定的目的在于，工作性相同的混凝土，粘度高的混凝土在泵送施工中压力损失会很大，所以需要通过试验测定粘度。

　　除了利用上述试验手段，对SCC进行工作性评定外，有的学者试图用地球力学中常用的三维离散(非连续)单元法(Three-Dimensional Discrete Element，简称DEM)，对一些稠度和流变试验(如塌落流动度试验、V形漏斗试验、U形填充试验)进行数值模拟,并取得了不错的效果。这种模型克服了传统连续介质模型(如有限单元法)无法解释大位移和颗粒转动问题的缺陷，而这些正式新拌SCC的突出特点。运用DEM进行数值模拟的关键是粗骨料的运动模型，将粗骨料颗粒的下沉作为受重力作用、类似于沿限定容器壁随机下落的雨滴进行处理，并使用三维颗粒流动编码(Three Dimensional Partical Flow Code，简称PFC3D)程序进行流变试验模拟。

5.自密实混凝土的应用及研究现状

  　  (1)应用领域

    　自密实混凝土工程应用的首例，是在1990年6月在日本用于一个楼房建筑中。随后，SCC的应用范围和使用数量日趋增加：

    　①大体积混凝土

    　比较典型的工程应用实例是跨度为1990m的日本明石海峡大桥(悬索桥)，自密实混凝土用于该桥的锚碇施工中。混凝土的搅拌是在施工现场旁边的搅拌站进行的，然后通过导管泵送输送到距搅拌站200m的混凝土浇注现场，混凝土的输出是靠在导管上按等间距布置的阀门控制的。

    　该工程中使用的自密实混凝土，粗骨料最大粒径40mm，混凝土落距3m，尽管有大粒径粗骨料，但无离析现象。最后的比较分析表明，自密实混凝土的使用将锚碇施工工期缩短了20%，即由2.5年缩短为2年。

　　②隧道

    　在国外，自密实混凝土已经用于一些隧道的施工中。例如，在日本Kobe修建的水底隧道；1998年竣工的瑞士水利电力项目Cleuson Dixence中，隧道长15850m，斜井共3920m长，总共使用了73000m３的SCC填充在岩石与钢衬之间，作为混凝土衬砌［11］；1999年开工的Loetschberg铁路隧道长34642m，共使用了800000m３的SCC。

  　  ③水下自密实混凝土

  　  鉴于水下混凝土结构排水施工的困难性，以及有些结构处于易于被蚀的工作环境下，所以发展水下自密实混凝土是SCC研究和应用的一个广阔领域。目前，仍处于研究当中。

   　 (2)自密实改良技术

  　  ①钢纤维自密实混凝土

  　  在自密实混凝土中使用钢纤维，提供了一种实现混凝土生产工业化、提高生产率的方法，并兼有免振及减少钢筋配置所带来的正面效应，钢纤维增强自密实混凝土(简称SFRSCC)可用于楼房中的墙及楼板。钢纤维自密实混凝土试验研究的重点是，在SCC中掺加钢纤维对于新拌混凝土和易性以及硬化混凝土韧性(韧性决定了总体的承载能力以及裂缝的分布特性)的影响。

   　 在自密实混凝土中使用钢纤维作为增强材料，要适当调整配合比。钢纤维对拌合物工作性的影响与钢纤维的使用数量、纤维形态因素、拌合物的稠度有关。掺加钢纤维使SCC能通过的钢筋间距增大。对于SFRSCC工作性的评定，需要用多种仪器和方法综合进行较为合适。

  　  另外，和经过振捣的普通混凝土相比，钢纤维自密实混凝土的韧性并不低，测出的韧性相当于或者好于普通的纤维增强混凝土。纤维的方位受混凝土流向以及纤维是否较好地分布的影响。决定钢纤维混凝土力学性能的最重要参数是它的韧性。对于使用有限的纤维数量的钢纤维混凝土而言，用来表示材料特征的其它性能，比如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、收缩率、徐变等等，几乎是与素混凝土差不多的。

    　钢纤维混凝土的设计规则是以其韧性为基础的。它的韧性作为定义材料的一个性能指标，也用来计算承载力或者裂纹分布。从设计准则来看，钢纤维自密实混凝土与钢纤维混凝土在韧性方面并没有很大的不同，所以用于设计钢纤维混凝土结构的设计方法对于钢纤维自密实混凝土同样适用。当然，和钢纤维混凝土一样，钢纤维自密实混凝土的韧性仍是需要进行试验的。

   　 还有很多方面需要更进一步的研究，比如寻找一种对钢纤维自密实混凝土最优的配合比设计模型，混凝土早期的一些性能如徐变、收缩及温度发展，交界面的粘结性能，各种填充剂及外加剂的影响等等。

   　 ②自密实高强混凝土

   　 SCC的研究和应用多数集中在普通强度等级。通过采用低水胶比(小于0.30)、掺加粉煤灰或硅粉、控制流展度等技术手段，可以配制出C100的大流动度混凝土，这样既做到高强，又能获得大流动度的混凝土。这些研究的成果，可以作为发展自密实高强混凝土能够借鉴的经验。

   　 ③SCC用于预制法施工

  　  绝大多数有关SCC的研究和应用实例是用于现浇结构。利用SCC预制混凝土构件，即体现着混凝土施工方法的发展方向，换句话说，现浇→预制→SCC预制的发展轨迹，体现着混凝土逐步实现工业生产、不断提高生产效率。并且，由于无需振捣或其它致密措施，极大地降低了因混凝土施工而带来的噪音，为这种施工可行性提供了一定依据。

　   ④“三明治”结构

　　所谓“三明治”结构，同一结构单元的成型过程中，层间材料可能有一定差异。具体来讲，一种是类似于前面提到日本Kobe的水底隧道，出于施工方面的考虑，将SCC注入钢壳间，形成钢、混凝土层间复合的所谓夹心结构。

　　尽管SCC的使用有许多技术、社会、总体经济方面的优势，但由于拌合物的组成、混凝土生产过程中的质量控制原因，其供应成本也比常规振捣混凝土高一些，这就成为了SCC应用于一般混凝土施工中的障碍。因而通过试验，研究了SCC和常规混凝土分层浇注，在强度和弹性模量方面的相容性，并提出对于大型结构单元，像基础和后张构件，在有密集配筋、难以施振处，可以用SCC进行浇注，配筋较少或没有的配筋的混凝土浇注层，则用常规振捣成型的混凝土，如图3所示。当然，这种施工构想仍需进一步的研究论证，如两种混凝土收缩变形和温度变形的协调性等。

6.结论

  　  (1)与常规混凝土相比，自密实混凝土具有自流平、密实度高、缩短工期、减少人力投入等优点。

   　 (2)由于自密实混凝土不需要振捣，因此可以降低由振捣导致的混凝土离析等问题，同时由于其自密实的特性，对模板工程、钢筋工程、支撑工程等均有新的要求。

   　 (3)目前自密实混凝土的研究和应用还处于初期阶段，在配合比设计、性能评定、质量控制、施工技术等方面均有待试验和理论方面的深入研究。

   　 (4)自密实混凝土目前属于“特种混凝土，”在实际应用中还不是十分普及，主要应用于水下混凝土施工、大体积混凝土以及隧道工程等混凝土工程，在未来具有广阔的应用前景。